Sólin
Rís 05:51 • sest 21:06
Tunglið
Rís 09:47 • Sest 06:52
Flóð
Árdegis: 00:02 • Síðdegis: 12:48
Fjara
Árdegis: 06:36 • Síðdegis: 18:53
Rafleiðni efna, það er að segja hæfni þeirra til að leiða rafstraum, er geysilega mismunandi. Tökum sem dæmi 20 m langan koparvír sem er 3,3 mm í þvermál. Viðnám hans er 0,04 ohm. Ef við setjum á hann spennuna 1 volt verður straumurinn í honum 25 amper, sem er mikill straumur, til dæmis meiri en öryggin leyfa okkur yfirleitt í raflögnum á heimilum. Ef við byggjum hins vegar til þráð með sömu lögun úr efni eins og gleri eða gúmmí þá yrði straumurinn í stærðarþrepinu 1020 eða hundrað trilljón sinnum minni og í raun ómælanlegur.
Efni sem leiða rafmagn svipað og kopar og aðrir málmar eru kölluð leiðarar (e. conductors) en hin sem leiða svipað og gler nefnast einangrarar (insulators). Vegna hins mikla munar sem áður var lýst má með sanni segja að milli þessara tveggja flokka sé himinn og haf og munurinn á þeim sé eitt af furðuverkum náttúrunnar, ekki síst þegar við bætist að mjög fá náttúruleg efni falla utan þessara flokka eða hafa leiðni sem liggur á hinu firnalanga bili milli þeirra.
En slíkt efni, þéttefni með rafleiðni sem liggur á milli leiðara og einangrara, er einmitt kallað hálfleiðari (semiconductor). Forskeytin 'hálf-' og 'semi-' eru að vísu (hálf!)villandi að því leyti að munurinn á leiðurum og hálfleiðurum er miklu meiri en það gefur til kynna; munurinn á leiðni hálfleiðara og leiðara er mörg tugaþrep! Dæmi um hálfleiðara eru kísill (silicium, silicon) og german (germanium). Leiðni hálfleiðara má breyta um mörg tugaþrep (margfalda með 10 í heiltöluveldi) með því að íbæta (e. dope) kristallinn með atómum, ólíkum þeim atómum sem byggja upp kristallsgrindina.
Þegar atóm koma saman og mynda þéttefni skarast brautir eða svigrúm rafeinda þeirra og úr orkustigum ystu rafeindanna, gildisrafeinda, myndast orkuborðar (energy bands) þar sem mörg orkustig liggja. Aðeins ein rafeind getur setið á hverju orkustigi. Þegar mörg kísilatóm koma saman og mynda þéttefni verða til tveir aðskiljanlegir orkuborðar. Sá lægri er nefndur gildisborði (valence band) og sá efri leiðniborði (conduction band).
Ef atómin í hreinum hálfleiðara við alkul eru N talsins þá eru 4N möguleg orkustig í gildisborðanum og 4N gildisrafeindir og hann er því fullsetinn. Í leiðniborðanum eru aftur á móti engar rafeindir. Á milli orkuborðanna er orkugeil (energy gap) eða bil þar sem rafeindirnar geta ekki setið. Ef utanaðkomandi orka kemur rafeindum yfir orkugeilina og upp í leiðniborða verður til hola (hole) eða holeind í gildisborðanum.
Þegar hitastig þéttefnisins er hækkað frá alkuli flyst orka til rafeindanna í gildisborðanum og sumar þeirra flytjast upp í leiðniborðann. Þær geta þá hreyfst um kristallinn og flutt hleðslu til og frá. Leiðni í hálfleiðurum stafar af færslu hleðslubera (charge carrier) í rafsviði, rafeinda í leiðniborða og hola í gildisborða.
Orkan sem þarf til að koma rafeind yfir orkugeilina er 1,12 eV (rafeindavolt) fyrir kísil við stofuhita. Við þann hita eru 1,45 · 1010 eiginhleðsluberar á rúmsentimetra í kísli og efnið er tiltölulega góður einangrari. Til samanburðar eru 1022 hleðsluberar á rúmsentimetra í málmi.
Bæði kísill og german sitja í sama dálki (IV) í lotukerfinu og hafa 4 rafeindir á ysta hvolfi. Þessar rafeindir nefnast gildisrafeindir. Sérhvert atóm í kristalgrindinni deilir einni gildisrafeind með hverju af fjórum nágrannaatómum sínum. Þetta er kallað samgilt tengi (covalent bond). Í hreinum kísli deilir því sérhvert kísilatóm ytri rafeindum sínum með fjórum nágrönnum sínum og engar frjálsar rafeindir geta ferðast um kristallinn. Hreinn kísill hefur þess vegna afar litla leiðni við lág hitastig, en hún eykst ef lýst er á hálfleiðarann eða hann hitaður upp.
Til að breyta leiðninni í nothæf gildi má íbæta kristallinn með tilteknu magni óhreininda. Í hálfleiðara af svokallaðri p-gerð (p-type) er kristallinn íbættur með aðskotaatómum sem hafa einni gildisrafeind færri rafeindir en atóm kristallsins sjálfs. Þessi atóm eru nefnd rafþegar (acceptors). Þegar þessu atómi er komið fyrir í kristallsgrindinni myndast nokkurs konar hola þar sem fjórða gildisrafeindin væri ella. Þessi hola getur ferðast frjáls um kristallsgrindina.
Í hálfleiðara af n-gerð (n-type) er kísilkristallinn íbættur með aðskotaatómum sem hafa eina ytri rafeind umfram kísilatómið. Þegar slíku atómi er komið fyrir í kristallsgrindinni er þessari aukarafeind ekki deilt með nágrannaatómunum og getur hún þess vegna ferðast frjáls um kristalgrindina. Þessi atóm eru nefnd rafgjafar (donors).
Í kísil er bætt atómum úr þriðja dálki lotukerfisins (dálki III; bór, ál, gallín) til að framkalla p-leiðni og atómum úr fimmta dálki lotukerfisins (V; fosfór, arsen, antímón) til að framkalla n-leiðni. Með því að stýra efnismagni sem bætt er í kísilinn má stjórna nákvæmlega fjölda leiðnirafeinda (n-gerð) eða hola (p-gerð) í gildisborða, og þar með leiðnieiginleikum efnisins.
Íbót úr dálki V fyllir samgild tengi kísils og hefur að auki eina laust bundna rafeind sem flytja má upp í leiðniborða með 40 - 50 meV orku, sem nefnd er jónunarorka. Íbót úr dálki III vantar eina rafeind upp á til að fylla samgildu tengin. Rafeindin er þá fengin úr gildisborða með jónunarorku 45 - 160 meV.
Kísill og german eru frumhálfleiðarar. Dæmi um aðra hálfleiðara eru GaAs, GaP, InP og ZnSe.
Með því að skeyta saman hálfleiðurum af p- og n-gerð má mynda tvist (e. diode), tól sem leiðir straum í aðra áttina en ekki í hina. Tvenn slík samskeyti mynda smára (e. transistor). Slíkan búnað má meðal annars nota til að magna veikt merki og til að búa til svokallaðar rökrásir. Þetta er meginástæðan til þess að hálfleiðarar eru svo mikilvægir í hátækni nútímans; án þeirra væri býsna margt öðru vísi í umhverfi okkar nú á dögum.
Mynd: HB